OpenGL的正背面剔除

在Open GL工程的搭建中我们介绍了OpenGL在MacOS上的项目搭建，在OpenGL的透视投影中我们介绍了简单的3D图形的绘制。那么在该篇我们介绍复杂的3D图形渲染，以及正背面剔除技术。

经典的甜甜圈绘制

1. 创建三角形批次类：
   使用创建甜甜圈的api创建甜甜圈的顶点数据批次类：void gltMakeTorus(GLTriangleBatch& torusBatch, GLfloat majorRadius, GLfloat minorRadius, GLint numMajor, GLint numMinor);
   //参数1：GLTriangleBatch 容器帮助类
   //参数2：外边缘半径
   //参数3：内边缘半径
   //参数4、5：主半径和从半径的细分单元数量
2. 使用默认光源着色器完成阴影效果:
   //通过光源、阴影效果跟提现立体效果
   //参数1：GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT 默认光源着色器
   //参数2：模型视图矩阵
   //参数3：投影矩阵
   //参数4：基本颜色值
   donut_shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, donut_transformPipeline.GetModelViewMatrix(), donut_transformPipeline.GetProjectionMatrix(), vRed);
3. 整体代码

#include "GLTools.h"
#include "GLMatrixStack.h"
#include "GLFrame.h"
#include "GLFrustum.h"
#include "GLGeometryTransform.h"
#include <math.h>
#ifdef __APPLE__
#include <glut/glut.h>
#else
#define FREEGLUT_STATIC
#include <GL/glut.h>
#endif
////设置角色帧，作为相机
GLFrame                        donut_viewFrame;
//使用GLFrustum类来设置透视投影
GLFrustum                      donut_viewFrustum;
GLTriangleBatch                donut_torusBatch;// 甜甜圈三角形批次类
GLMatrixStack                  donut_modelViewMatix;
GLMatrixStack                  donut_projectionMatrix;
GLGeometryTransform            donut_transformPipeline;
GLShaderManager                donut_shaderManager;

//标记：背面剔除，1为剔除，0位不剔除
int iCull = 1;
//渲染场景
void donut_renderScene() {
    //1.清除窗口和深度缓冲区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    if (iCull) {// 背面剔除
        glEnable(GL_CULL_FACE);
        glFrontFace(GL_CCW);
        glCullFace(GL_BACK);
    } else {// 取消背面剔除
        glDisable(GL_CULL_FACE);
    }
    
    //2.把摄像机矩阵压入模型矩阵中
    donut_modelViewMatix.PushMatrix(donut_viewFrame);
    
    //3.设置绘图颜色
    GLfloat vRed[] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
    
    //4.
    //使用平面着色器
    //参数1：平面着色器
    //参数2：模型视图投影矩阵
    //参数3：颜色
//    donut_shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, donut_transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vRed);
    
    //使用默认光源着色器
    //通过光源、阴影效果跟提现立体效果
    //参数1：GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT 默认光源着色器
    //参数2：模型视图矩阵
    //参数3：投影矩阵
    //参数4：基本颜色值
    donut_shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, donut_transformPipeline.GetModelViewMatrix(), donut_transformPipeline.GetProjectionMatrix(), vRed);
    
    //5.绘制
    donut_torusBatch.Draw();
    //6.出栈 绘制完成恢复
    donut_modelViewMatix.PopMatrix();
    //7.交换缓存区
    glutSwapBuffers();
}

void donut_setsupRC() {
    //1.设置背景颜色
    glClearColor(0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f );
    
    //2.初始化着色器管理器
    donut_shaderManager.InitializeStockShaders();
    
    //3.将相机向后移动7个单元：肉眼到物体之间的距离
    donut_viewFrame.MoveForward(10.0);
    
    //4.创建一个甜甜圈
    //void gltMakeTorus(GLTriangleBatch& torusBatch, GLfloat majorRadius, GLfloat minorRadius, GLint numMajor, GLint numMinor);
    //参数1：GLTriangleBatch 容器帮助类
    //参数2：外边缘半径
    //参数3：内边缘半径
    //参数4、5：主半径和从半径的细分单元数量
    gltMakeTorus(donut_torusBatch, 1.0f, 0.3f, 52, 26);
    
    //5. 设置画笔点的大小(方便点填充时,肉眼观察)
    glPointSize(4.0f);
}

//键位设置，通过不同的键位对其进行设置
void donut_specialKeys(int key, int x, int y) {
    //1.判断方向,根据不同的键位完成上下左右的旋转操作
    if(key == GLUT_KEY_UP)
        //2.根据方向调整观察者位置
        donut_viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_DOWN)
        donut_viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_LEFT)
        donut_viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_RIGHT)
        donut_viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    
    //3.重新刷新
    glutPostRedisplay();
}

//窗口改变
void donut_changeSize(int w, int h) {
    //1.防止h变为0
    if(h == 0)
        h = 1;
    //2.设置视口窗口尺寸
    glViewport(0, 0, w, h);
    //3. 设置透视模式，初始化其透视矩阵
    donut_viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w)/float(h), 1.0f, 100.0f);
    
    //4.把透视矩阵加载到透视矩阵栈
  donut_projectionMatrix.LoadMatrix(donut_viewFrustum.GetProjectionMatrix());
    
    //5.初始化渲染管线
    donut_transformPipeline.SetMatrixStacks(donut_modelViewMatix, donut_projectionMatrix);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
    glutInitWindowSize(800, 600);
    glutCreateWindow("Geometry Test Program");
    glutReshapeFunc(donut_changeSize);
    glutSpecialFunc(donut_specialKeys);
    glutDisplayFunc(donut_renderScene);
    GLenum err = glewInit();
    if (GLEW_OK != err) {
        fprintf(stderr, "GLEW Error: %s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }
    donut_setsupRC();
    glutMainLoop();
    return 0;
}

正背面剔除

绘制3D场景的时候，我们需要决定哪些部分是观察者可见的，哪些是不可见的，对于不可见的部分，应该放弃绘制。

1. 正面和背面
   OpenGL中规定，从观察者角度看过去逆时针连接顶点的三角形面叫做正面。从观察者角度看过去顺时针连接顶点的三角形面叫做背面。也就是说：正⾯和背面是有三角形的顶点定义顺序和观察者方向共同决定的。随着观察者的角度方向的改变,正面背面也会跟着改变。
2. 表面剔除
   当我们打开表面剔除（默认背面剔除）时，背面就不会进行绘制。
   开启表面剔除：glEnable (GLenum cap);
   关闭表面剔除：glDisable (GLenum cap);
   指定哪一个面为正面：glFrontFace (GLenum mode);默认逆时针正面，参数GL_CW（顺时针）,GL_CCW（逆时针）
   指定剔除哪一个面：glCullFace (GLenum mode)；mode参数为：GL_FRONT（正面），GL_BACK（背面），GL_FRONT_AND_BACK,默认GL_BACK